基于3D打印技术的岩体结构面各向异性剪切力学行为

结构面形貌特征是影响结构面剪切行为的重要因素,而且结构面形貌特征的各向异性与其剪切力学行为的各向异性之间存在一定的联系。利用三维激光扫描和3D打印技术模拟了天然结构面,并以水泥砂浆为材料浇筑了尺寸为100 mm×100 mm×150 mm的含结构面试样,开展了不同法向应力下沿不同方向的剪切试验。结果表明,结构面的剪切行为具有明显的各向异性,这种特性可以体现在峰值剪切强度及相应的剪切位移和抗剪强度参数上;在低法向应力条件下,峰值剪切强度各向异性的强弱程度与法向应力之间并非呈现简单的单调变化关系;抗剪强度参数c（黏聚力）、f（内摩擦角）值沿不同剪切方向的变化趋势总体上较相似;通过分析不同剪切方向上c、f值相对于0°方向的差异程度,可以发现剪切方向对c值的影响更为强烈。移动阅读     

基于剪切行为结构面形貌特征的描述

描述岩石结构面形貌特征的一个重要作用就是为了能更好地理解结构面的剪切行为。首先,从结构面剪切具有方向性的特点出发,抓住在剪切方向上对剪切行为起关键作用的结构面形貌特征,提出描述结构面形貌特征的参数抗剪系数SC。该参数描述了在剪切方向上二维形貌的起伏特征、起伏的统计分布特征以及高度特征,并且还可以表征结构面形貌的方向性。同时,在对10条节理粗糙度系数JRC标准曲线的数字化基础上,建立了抗剪系数SC与JRC值之间的拟合关系。基于三维白光扫描技术得到的自然岩石结构面的点云数据,进一步将抗剪系数SC进行了三维化扩展,使其能够较好地描述结构面的三维形貌特征。最后,以某自然岩石结构面为算例,用三维抗剪系数SC3D度量其沿不同分析方向上的形貌特征,结果表明,抗剪系数能很好地表征结构面形貌特征的各向异性。     

岩体结构面各向异性变异系数的尺寸效应研究

岩体结构面的各向异性与尺寸效应特征对其力学性质影响较大,综合考虑两者之间的相互关系对工程岩体稳定性评价具有重要意义。全面分析不同尺度结构面的各向异性分布,提出考虑正交方向三维形貌参数的各向异性变异系数AVC3D。通过渐进覆盖法统计4组天然岩体结构面10种不同采样尺寸的各向异性变异系数及其尺寸效应规律。结果表明:各向异性变异系数均随结构面尺寸增大而减小至定值,其与结构面尺寸具有较好的负对数函数关系;通过归一化处理,各向异性变异系数与结构面尺寸呈现较好的线性函数关系,表明各向异性变异系数具有分形结构,分维数D可以实现其尺寸效应的规律统计。该方法揭示了影响结构面形貌特征方向性变化的最大有效倾角?*_max和粗糙系数C的增长幅度会随采样尺寸增大趋于稳定的变化机制,体现了当结构面达到各向异性尺寸效应的阈值后,会呈现出稳定的各向异性规律。     

基于3D雕刻技术的岩体结构面剪切各向异性研究

相同形貌结构面重复性剪切试验和各向异性剪切试验一直是岩体结构面剪切力学特性试验研究中的难点,而该问题对于工程岩体的开挖力学响应和稳定性分析、评价与控制至关重要,问题的关键在于同一种岩石的结构面形貌的再现。为此,基于3D扫描和3D雕刻技术,重复制备了3种不同粗糙度的大理岩结构面试样,开展了不同法向应力下相同形貌结构面的各向异性剪切试验。试验结果发现:(1)同一法向应力不同剪切方向下,相同形貌结构面的剪切强度、剪胀和剪切破坏特征均呈现明显各向异性;(2)结构面粗糙度各向异性很大程度上决定了剪切强度的各向异性,两者具有较好的正相关性;(3)随着法向应力的升高,结构面剪切特征的各向异性有逐渐弱化的趋势。同时,研究还充分表明,3D雕刻技术是系统开展结构面剪切力学特征各向异性研究的可靠手段,可在将来研究中发挥更为重要的作用。     

基于3D雕刻技术的岩体结构面剪切各向异性研究

相同形貌结构面重复性剪切试验和各向异性剪切试验一直是岩体结构面剪切力学特性试验研究中的难点,而该问题对于工程岩体的开挖力学响应和稳定性分析、评价与控制至关重要,问题的关键在于同一种岩石的结构面形貌的再现。为此,基于3D扫描和3D雕刻技术,重复制备了3种不同粗糙度的大理岩结构面试样,开展了不同法向应力下相同形貌结构面的各向异性剪切试验。试验结果发现:(1)同一法向应力不同剪切方向下,相同形貌结构面的剪切强度、剪胀和剪切破坏特征均呈现明显各向异性;(2)结构面粗糙度各向异性很大程度上决定了剪切强度的各向异性,两者具有较好的正相关性;(3)随着法向应力的升高,结构面剪切特征的各向异性有逐渐弱化的趋势。同时,研究还充分表明,3D雕刻技术是系统开展结构面剪切力学特征各向异性研究的可靠手段,可在将来研究中发挥更为重要的作用。     

基于旋转采样法的结构面粗糙度各向异性评价

岩石结构面粗糙度各向异性评价存在不确定性.本文基于高精度激光扫描技术获得的结构面三维点云数据,提出了一种评价岩石结构面粗糙度系数(JRC)各向异性的旋转采样法.通过典型结构面试样的对比分析,探讨了采样方法和尺寸对JRC各向异性的影响.结果表明:(1)已有的单一轮廓线采样法获得的JRC各向异性数据离散,各向异性评价结果偏...     

基于机器学习的岩体结构面剪切破坏区域预测研究

剪切破坏区域是岩体结构面上下盘相对运动的主要接触区域,对抗剪强度具有重要影响。鉴于结构面剪切破坏区域与形貌特征的高度非线性关系,本文在分析结构面表面形貌特征及剪切机制的基础上,以粗糙度参数倾向、倾角、曲率、高差和孔径分布来描述结构面表面形貌特征。对结构面试样开展法向应力为1.0MPa的直剪试验,通过图像分割技术提取剪切破坏区域,利用多种机器学习方法构建结构面剪切破坏区域预测模型,建立结构面粗糙度参数与破坏状态之间的非线性关系,并采用训练准确率和AUC（Area Under Curve）值等指标对模型预测性能进行评估。结果表明所建立的模型中集成装袋树预测性能最好,其次是K最近邻,其训练准确率最高分别可达98.02%和97.38%,AUC值最高分别可达0.78和0.74。通过敏感性分析发现孔径分布对剪切破坏区域的影响最大。本研究对有效分析结构面的剪切破坏机理和准确评价抗剪强度具有重要意义。     

岩体结构面粗糙度系数研究进展

摘要：讲述了岩体结构面粗糙度系数ＪＲＣ的估测方法、轮廓曲线绘制手段以及ＪＲＣ应用研究的进展,分析了ＪＲＣ研究的几个前沿课题。     

基于3D打印的裂隙岩体力学特性尺寸效应及各向异性初探

裂隙岩体力学参数的尺寸效应和各向异性是岩石力学与工程领域亟待解决的难点问题。充分利用3D砂型打印技术快速成型、可批量制备复杂内部结构岩体模型的优势,以石英砂和呋喃树脂为打印基材,制备不同尺寸和旋转角的裂隙网络类岩石试件。通过单轴压缩试验研究裂隙网络岩体力学特性的尺寸效应,揭示裂隙密度与强度之间的相关性,分析表征单元体尺度岩体力学特性的各向异性。结果表明：3D砂型打印试件的力学性能与真实岩体相似,应力-应变曲线可划分为初始压密、弹性变形、裂纹萌生与扩展和峰后破坏4个阶段。试件抗压强度与试件边长之间呈指数衰减关系,存在显著尺寸效应性质。裂隙密度与抗压强度之间呈显著的负指数关系,基于裂隙密度与抗压强度确定的岩体表征单元体尺度具有良好的一致性。裂隙岩体的破坏模式和抗压强度具有显著的各向异性特征。研究方法从3D打印角度为复杂裂隙岩体尺寸效应及各向异性的室内试验研究提供了可靠途径。     

岩体结构面粗糙度系数JRC的研究现状

岩体结构面粗糙度系数JRC是描述岩体结构面粗糙起伏状态的力学参数,对于无填充或少填充的硬性结构面而言是关键性指标。本文介绍了岩体结构面粗糙度系数JRC估算方法的理论及应用研究现状,并探讨了JRC研究中存在的几个问题。     

基于三维扫描和三维雕刻技术的岩石结构面原状重构方法及其力学特性

为了客观重复制作与原岩结构面的岩性、表面形态和力学性质完全一致的试样,集成三维扫描和三维雕刻技术,提出了原岩结构面试样重构新方法。采用该方法制作了具有相同表面形态的大理岩结构面试样,开展了不同法向力下的直剪试验,并采用声发射技术对结构面剪切破坏过程进行了监测。结果表明：重构结构面试样与原始结构面试样具有高度相似性;结构面剪应力-剪切位移曲线可分为两类：剪胀滑移型和剪断跌落型;剪切破坏后结构面可明显地划分为两个区域：剪胀脱开区和剪断磨损区;提出了结构面剪切强度新公式,理论公式与试验结果更接近;结构面剪切过程中剪应力、能量率、计数、撞击率随时间的变化规律具有较好的一致性,声发射定位位置与剪切过程中结构面损伤破坏区域基本吻合。     

经历剪切变形历史的岩石节理表面粗糙特性分析

基于两类岩石节理剪切试验，采用非接触式激光测距仪，实测了剪切前后节理表面粗糙数据，统计分析了岩石节理表面粗糙特性的三维粗糙参数的物理含义，并将这些参数与相应的二维参数进行了充分比较。结果表明，三维参数与二维参数间存在的近似线性关系，而多个三维参数相对比单一的二维参数更全面有效地描述了节理表面粗糙特性。     

基于三维扫描与打印的岩体自然结构面试样制作方法与剪切试验验证

无法大量制作表面形态完全一致的含自然结构面的剪切试样一直是困扰岩石结构面力学试验深入研究的难题之一。借助最新发展的3D打印和表面快速扫描技术,提出了岩石自然结构面试样制作新方法。该方法采用三维扫描仪获得岩石自然结构面表面形态的高精度点云数据,然后通过逆向工程软件重构自然结构面的表面形态和含自然结构面的虚拟剪切模型,进而通过3D打印技术制作含自然结构面的PLA（绿色环保材料聚乳酸）塑材模具,最后借助PLA结构面模具在制样盒内通过相似材料浇筑成型出剪切试样,从而实现批量制作结构面形貌完全一致的相似材料结构面剪切试样,满足多种组合试样方案下岩石自然结构面的深入分析。采用这一方法针对3种岩石自然结构面进行了批量制作和剪切试验测试表明：（1）浇筑制作成试样的结构面表面高程与原始结构面高程之间的误差分析显示,岩石自然结构面可以高精度地复制到剪切试样中;（2）相同剪切试验条件下多个剪切试样的剪切位移-剪切力曲线的重合度非常高,表明制作的结构面剪切样的一致性好且试验结果离散性小;（3）通过剪切结构面试样在剪切前后的表面形态扫描分析发现,相同试验条件下自然结构面的剪切破坏形态具有非均匀性。     

岩石节理表面几何特性的三维统计分析

在利用三维非接触式高精度激光表面形状测定仪精确测量岩石节理的表面粗糙形状并进行数值化表达的基础上,应用地理信息系统(GIS)技术,实现了岩石节理粗糙面的三维可视化。再对岩石节理粗糙面的三维几何特性参数（诸如表面粗糙度、裂隙张开度和粗糙高度等）进行统计分析并计算频数分布的特征数字。最后,根据频率直方图的分布趋势和频数分布的特征数字研究各几何特性参数的分布规律。结果表明,花岗岩节理粗糙表面起伏比砂岩大,但二者几何特性参数的分布规律相似,节理粗糙高度和裂隙张开度分布近似于正态分布规律,而节理粗糙面倾斜角分布近似于Γ分布规律。     

一种新的岩石节理面三维粗糙度分形描述方法

研究并提出一种新的岩石节理面三维粗糙度分形描述方法。首先,基于激光扫描数据将节理表面离散成三角网,并建立与剪切方向相关的三维均方根抵抗角的计算方法。其次,运用分形数学理论,提出一种新的基于三维均方根抵抗角的节理面粗糙度分形描述方法。最后,采用新方法对天然玄武岩节理和花岗岩张拉型节理的粗糙特性进行分析。研究结果表明,提出的新方法能够较全面地反映节理面的三维几何形貌信息,并能描述节理粗糙度的各向异性特性。研究成果为进一步建立岩石节理面的三维剪切强度公式和剪切本构理论奠定了基础。     

Friction and degradation of rock joint surfaces under shear loads

The morpho‐mechanical behaviour of one artificial granite joint with hammered surfaces, one artificial regularly undulated joint and one natural schist joint was studied. The hammered granite joints underwent 5 cycles of direct shear under 3 normal stress levels ranging between 0.3 and 4 MPa. The regularly undulated joint underwent 10 cycles of shear under 6 normal stress levels ranging between 0.5 and 5 MPa and the natural schist replicas underwent a monotonics shear under 5 normal stress levels ranging between 0.4 and 2.4 MPa. These direct shear tests were performed using a new computer‐controlled 3D‐shear apparatus. To characterize the morphology evolution of the sheared joints, a laser sensor profilometer was used to perform surface data measurements prior to and after each shear test. Based on a new characterization of joint surface roughness viewed as a combination of primary and secondary roughness and termed by the joint surface roughness, SR_s, one parameter termed ‘joint surface degradation’, D_w, has been defined to quantify the degradation of the sheared joints. Examinations of SR_s and D_w prior to and after shearing indicate that the hammered surfaces are more damaged than the two other surfaces. The peak strength of hammered joint with zero‐dilatancy, therefore, significantly differs from the classical formulation of dilatant joint strength. An attempt has been made to model the peak strength of hammered joint surfaces and dilatant joints with regard to their surface degradation in the course of shearing and two peak strength criteria are proposed. Input parameters are initial morphology and initial surface roughness. For the hammered surfaces, the degradation mechanism is dominant over the phenomenon of dilatancy, whereas for a dilatant joint both mechanisms are present. A comparison between the proposed models and the experimental results indicates a relatively good agreement. In particular, compared to the well‐known shear strength criteria of Ladanyi and Archambault or Saeb, these classical criteria significantly underestimate and overestimate the observed peak strength, respectively, under low and high normal stress levels. In addition and based on our experimental investigations, we put forward a model to predict the evolution of joint morphology and the degree of degradation during the course of shearing. Degradations of the artificial undulated joint and the natural schist joint enable us to verify the proposed model with a relatively good agreement. Finally, the model of Ladanyi and Archambault dealing with the proportion of total joint area sheared through asperities, a_s, once again, tends to underestimate the observed degradation. Copyright © 2001 John Wiley & Sons, Ltd.     

3D裂隙网络随机模拟及其工程应用研究

岩体中存在的大量随机分布的裂隙对岩体的工程性质及稳定性有着极其重要的影响。传统的工程地质研究方法难以客观地描述其空间分布特征。应用概率与统计学的理论 ,通过统计分析得到裂隙的分布规律性 ,采用随机模拟的方法实现与统计分布相适应的裂隙网络是研究随机裂隙宏观特征的有效途径。通过模拟所得的 3D裂隙网络 ,进一步研究了裂隙的连通特征及工程开挖面上的稳定分析与加固措施优化的方法     

岩体节理表面几何特性描述

岩体节理表面几何特征对岩体变形、刚度、剪切强度和水渗导性有重要影响,一般用节理粗糙度系数（ＪＲＣ）、节理吻合系数（ＪＭＣ）来描述。本文用节理表面分维（ＪＳＦ）来描述节理表面形态的复杂性,为节理表面几何特征描述提供了一个新的方法。     

Natural rock joint roughness quantification through fractal techniques

Accurate quantification of roughness is important in modeling hydro-mechanical behavior of rock joints. A highly refined variogram technique was used to investigate possible existence of anisotropy in natural rock joint roughness. Investigated natural rock joints showed randomly varying roughness anisotropy with the direction. A scale dependant fractal parameter, K _v, seems to play a prominent role than the fractal dimension, D _r1d, with respect to quantification of roughness of natural rock joints. Because the roughness varies randomly, it is impossible to predict the roughness variation of rock joint surfaces from measurements made in only two perpendicular directions on a particular sample. The parameter D _r1d × K _v seems to capture the overall roughness characteristics of natural rock joints well. The one-dimensional modified divider technique was extended to two dimensions to quantify the two-dimensional roughness of rock joints. The developed technique was validated by applying to a generated fractional Brownian surface with fractal dimension equal to 2.5. It was found that the calculated fractal parameters quantify the rock joint roughness well. A new technique is introduced to study the effect of scale on two-dimensional roughness variability and anisotropy. The roughness anisotropy and variability reduced with increasing scale.